遥控车概念设计形态学图表法应用研究

2021-05-11罗天慧姜可

设计 2021年9期

罗天慧姜可

摘要：探索工业设计如何参与复杂结构玩具的设计过程，帮助达成更优设计结果。以某玩具遥控车的底盘设计为例，对形态学图表法进行实践，结合底盘的设计特点，补充方法的步骤。调整和完善了形态学图表法的步骤，帮助梳理复杂结构玩具的设计过程。能够简化设计问题，产生更多差异性备选方案。得出了美观、具有创新性的设计方案。形态学图表法调整后，可以适用于遥控车底盘的概念设计过程，指导部件选取、构架设计等步骤，得到具有创新性的设计结果。

关键词：工业设计玩具车构架设计形态学图表法概念设计

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2021）05-0024-04

引言

玩具车辆设计通常是按照真车的外形进行仿制，设计要求主要集中在车体外观。而底盘包裹在外壳下，对该部分的设计需求较少。但在部分设计案例中，玩具车需要通過对玩具车的底盘进行创新设计，拓展玩法、增强趣味性，就产生了对底盘部分的设计需求。而底盘部分设计仅考虑外观因素难以达到设计目标，因此工业设计需要使用合理的工程设计知识与方法作为指导，在保障设计合理性的同时达到美观的效果。

一、概念设计

概念设计是在确定目标任务之后，寻求解决方案的过程。概念设计具有发散特征和创新性，是一个求解可能存在的各种方案并最终确定综合最优方案的过程。通常是通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，得出求解方案[2]。

弗伦奇（French，1999）曾提出一种设计模型，梳理了工程设计的基础流程，如图1所示。其中矩形表示设计行为或设计阶段，圆形表示设计输出。

在该模型中，概念设计是基于问题的描述，给出多种解决方案的阶段。本文中玩具遥控车底盘的概念设计指：确定产品功能特性等指标后，部件的选取、底盘构架的设计及外观优化过程。

概念设计阶段决定了整体方案的创新及美观程度，概念设计方案是评估及优化的前提，对后续设计起着重要作用。且在概念设计阶段产生的设计缺陷，细节设计阶段较难弥补，可能导致概念设计过程反复，影响产品开发周期。本玩具车设计案例中，希望进行玩法创新。就产生了通过对底盘结构的创新设计需求。所以为了达到较为满意的设计结果，避免设计步骤重复，需要使用合理方法，增加备选方案的数量。在概念设计阶段提多个出具有创新性、差异性的方案进行比较和优选[3]。

二、形态学图表法

形态学图表法又称“形态综合法”、“形态矩阵法”或“棋盘格法”，是形态分析法的一支，在20世纪40年代由美国加州理工学院FritzZwicky提出，被广泛地应用在设计工程、制造工程、工业工程、人机工程及建筑设计等各领域，后得到多位学者的修改及补充[4]

形态分析法的目标在于搜集问题所有理论上可能解，以参数分解和问题构建为基础，是一种引导构造性发明的非定量建模方法，适用于概念设计阶段。通过系统化分析将所有能构成解决方案的元素、组件或次级解决方案以图表的形式罗列出来，搜集产品或设备形态上的所有理论可能解，实现从文字描述到具体形态的转化。然后通过排除不合理方案完成从具体形态到合理形态的转化。这使设计过程更加直观、有条理，可以在较短时间内产生较多备选方案，并促进产生更多具有创新性的组合方式。根据Nigel Cross的表述，形态学图表法的使用包括四个步骤[5]，如图2所示。

（1）列出产品关键特征或功能。即先经过分析，将产品分解为多个相互独立的处于同一等级的功能（2）针对产品的每个特征或功能列出可能的实现方法或结构解。（3）绘制图表，呈现所有可能的次级方案。对各功能的实现方式进行排列组合生成大量备选方案。（4）确定可行的次级解决方案，去除不具可行性或存在冲突的方案。

三、设计背景与调研

（一）设计背景

目前市面上的遥控玩具车主要有两大类，第一类是车模类玩具，通常是厂家根据轿车、跑车、越野、SUV等按比例缩小后生产制造。有较大市场占比，但缺乏新意。第二类是自主研发的玩具遥控车。为了不同的使用体验，在玩法和外观上进行创新设计，是玩具遥控车设计创新的新方向问。

该遥控玩具车定位为：可适应不同玩法、场景的创新型遥控玩具车。由于对遥控车玩法和使用场景影响最大的是底盘部分，想要增强趣味性和可玩性，只对外观进行变动不足以完成目标，因此需要考虑不同的玩法、场景下的特点，针对底盘部分进行重点设计改进。

（二）遥控车调研

通过对玩具遥控车的调研发现，现有玩法主要有两种。第一种是竞速玩法，第二种为越野玩法。

在竞速玩法中，场地多为平坦赛道（如图3所示），有一定的急转区域，对遥控车的性能需求为：提速快、良好的平稳性。通常该场景下的遥控车底盘通常较低，以降低重心，减小风阻，保障快速行驶时的平稳性，防止急转时飞出赛道。

在越野玩法中，场地多为不平坦或颠簸的路面（如图4所示），有一定坡度、尺寸不同的障碍或台阶。对遥控车的需求为：较好的爬坡能力、良好的通过性和较好的缓冲减震性能。通常该场景下的遥控车设计特点为：1.轮胎偏大，摩擦力强。2.驱动电机有较强的驱动力。3.底盘较高，可以较好通过一些凹凸路面，防止托底、损伤底盘部件。4.悬架有较强缓冲减震性能，在通过较大障碍物或颠簸路面时保持平稳的姿态。

（三）设计需求梳理

由上可知，两种玩法对应的路面场景不同，设计也有较大区别。主要矛盾点在于底盘的通过性和重心高度。障碍物较多或不平路面上，需要较高的底盘提供较好通过性。而在平坦弯道上需要更低的底盘降低重心和风阻，达到更好的稳定性。依照定位，该遥控车可以适应竞速和越野两种玩法。因此考虑为玩具遥控车设计可调姿的底盘，通过底盘姿态调整实现不同场景匹配。

同时为了进一步丰富遥控车的玩法，提升趣味性和可玩性。考虑对底盘进行模块化设计，即把每个轮胎及其相连结构设置为一个独立模块，底盘由四个相同模块组成。玩家可自由组合不同车身和底盘模块，探索多种玩法，满足个性化需求，同时方便维修。

四、遥控车底盘设计形态学图表法的应用

由于底盘部分涉及的部件较多，结构方案对外观影响较大，设计过程要同时考虑合理性和外观两个方面。如果在概念设计阶段使用形态学图表法，产生多种结构方案，配合草图展现方案外观进行筛选，可以更快产生多种创新性方案，提高设计效率。本次底盘概念设计过程主要划分为部件选取、构架设计、方案细化三大部分。

（一）部件选取

首先依据产品定位寻找满足需求的部件方案。按照形态学图表法，需要先找出可以实现各功能的结构方案，再对各结构方案进行组合。

1.列出产品关键特征或功能，针对每个特征或功能列出可能的实现方法。根据设计背景分析可得，遥控车的车架需要具备的特征有：姿态调整功能、较好的平稳性、较强的动力、灵活的转向。将功能特征对应到结构部件上，该车架分为五个部分：驱动结构、转向结构、调姿结构、悬挂结构和车架。

搜索在类似或相关产品中可以满足这些功能的组件机构，作为可能的功能实现方案。驱动方式可选四轮驱动或两轮驱动，转向可选择前轮转向或四轮转向。为满足平稳性和姿态调整功能，可选择独立悬架，并在悬架上添加调姿机构。因此悬挂需拆解成几个部分进行方案选择。车架可以选择非承载式车身情况下的车架形式或承载式车身情况下的副车架形式。

2.将上一步分析得出的功能实现方案绘制成图表，并根据设计目标进行筛选（见表1，涂色部分表示所选结构解），为了提升可靠性，缩短研发周期，无特殊需求的部分应尽量采用成品件，现有方案无法完全达到要求的部分进行特殊设计。

在越野场景中，有可能出现部分轮胎卡住或悬空的情况，相较于两轮驱动，四轮驱动更能在复杂地形中自由穿行，因此选择四轮驅动、四轮转向。这两部分的现有方案已经较为成熟，不需要特殊设计。为了在越野和竞速两种模式中相互切换，需要实现底盘姿态的调整，因此考虑在悬架基础上添加调姿机构，故悬架部分需要进行特殊设计。车架部分作为支撑部分，其具体形式需要根据其他部件的构架方式进行调整，故该部分设计在最后进行。

对表中的解决方案进行组合，可以产生两种设计方向。

方向一：四轮驱动、四轮转向、横臂式独立悬挂+调姿、边梁式车架。方向二：四轮驱动、四轮转向、横臂式独立悬挂+调姿、承载式车+副车架。

（二）构架设计

构架设计阶段的重点是寻找合适的空间布局，在实现功能需求的基础上达到美观效果。形态学图表法对该部分的描述较为粗略，需要通过设计实践进一步细化。由于部件的排布直接影响车架整体外观，本次设计先对外观风格进行定位，再进行具体构架设计。

1.确定外观设计风格。为达到姿态调整目的，底盘部分机械结构暴露在外，因此整体外观设计考虑高技术设计风格。从设计角度出发，当较多复杂结构需要外露时，可以采用整齐有序的排布，隐藏部分部件，可以减少外观细节变化，增强造型整体性，降低外观对视觉的压力，提升整体美观度[8][9]。因此采用紧凑的排布方式，减小支撑件体积，美化视觉效果。

2.进行构架设计。由于底盘各局部结构之间的关系较为复杂，这一阶段很难建立详细的结构模型，为了简化问题，快速厘清设计思路。可先提取底盘中的主要结构[10][11]，确定各部件、型材的相对位置。得到初步排布方案后再结合细节进行优化，步骤如下。

（1）将各结构中对空间排布影响最大的核心部件提取出来，抽象为简单几何体，进行空间排布尝试。本案例中共六个核心部件：传动系统的电机、转向系统的电机、弹簧、调姿模块、减震器、悬架的导向机构。其中调姿模块、弹簧和导向机构位置强相关，三者可选其一先进行定位。本次设计先选取传动电机、转向电机及调姿模块三部分进行排布。

本次设计采取了较紧凑的排布方式，可以减少支撑件体积，增强整体性;利用部件之间的前后位置关系形成遮挡，避免所有部件直接暴露在外，造成视觉杂乱;各部件排布方向尽量相同，增强视觉的统一性;排布示意见图5-7。

（2）在核心部件排布方案的基础上，添加传动杆及连接部分。通过传动电机的位置可得出车轮大致位置，然后在车轮与电机之间添加传动系统、横臂等部件。

（3）添加支撑结构并调整布局中存在干涉的部件。本案例中，支撑结构为车架部分。前两步中已经完成了驱动结构、转向结构、调姿结构和悬架的大致空间排布方案。这一步需要根据部件受力情况设计车架结构，调整存在干涉的部件位置。

结合部件选取时产生的两种设计方向及刚得出的三种排布方案，可得出表2中六种构架方案。

（三）方案细化

构架设计完成后形成了多种备选方案，该设计阶段的重点是确定最终方案及方案细化，呈现设计效果。

1.对备选方案进行筛选，确定深入设计方案。经过计算评估，其中1b、2b方案通过性较差，1a、1c方案调姿结构占用体积较大，结构排布较为松散，视觉效果较为笨重。在2a、2c三种方案中2a外观效果更好，因此选择2a方案进一步细化设计方案。

2.对结构方案进行外观设计及调整。相较于车身外观，底盘部分设计更多的是对车辆功能的体现，因此对外观进行考量时更倾向于体现其“技术美”和“功能美”。方案如图8、9所示。

从整体造型来看，在竞速模式下底盘整体为一字型，视觉上给人平衡、稳重的观感。在越野模式下，横臂向下倾斜一定的角度，可以在提高底盘通过性的基础上，给整体增加视觉张力，体现车辆底盘的力

量感。在细节方面，车架中部的部件相互平行排布，减少了支撑件的体积，在使车架更轻量化的基础上可以简化部件细节，使造型更具一致性。统一使用平直线条，有倾角的线条尽量使用相同倾斜角度，例如横臂部分和车架前脸部分。在色彩方面，整体车架采用金属色或灰黑色，横臂部分涂装为黄色，色彩整体统一同时具备一定变化，避免单调乏味的视觉感受。

（四）方法总结

通过设计实践发现，形态学图表法在概念设计过程中存在以下不足：（1）部件选取过程中，形态学图表法的目标是扩大产品搜索范围，随着产品功能的复杂度的增加，当部分功能存在较多对应方案，会产生爆炸数量的组合方案，造成方案有效率较低[12]。需要根据产品特征增加限制条件对方案进行约束。（2）在创新概念设计中，部分特殊的功能需求难以用现有部件库中的组件实现，需要对现有实现方式进行修改。而形态学图表法是一种基于功能分解结构重组的方法，其矩阵中元素多为已有解，无法满足重新设计的要求，需要增加相应步骤。（3）构架设计部分，形态学图表法的流程较为概括，进一步细化可以更好指导设计过程。

本文结合玩具车底盘设计的案例对形态学图表法进行实践和调整，使之适用于具有较为复杂结构的创新型玩具的设计特点，完成了概念设计。相较于经典形态学图表法的设计流程，本设计根据重型车底盘的设计特点对其流程做出了以下完善，如表3所示。加粗文字为完善及增加的部分。

区别在于：

（1）整体流程上的变化：在绘制图表阶段加入约束条件，对实现方式进行筛选收敛，在具体构架设计部分采取发散方式产生不同构架方案，通过实现方式和构架方案的排列组合形成多种备选方案。设计过程由原先发散一收敛的过程变为发散一收敛一发散一》收敛的过程（如图10所示），既可以避免该类复杂产品方案的爆炸式增长，减少筛选负担，也可以保障方案的差异性和创新性。

（2）增加新的步骤：针对概念设计中功能创新的特点，在绘制图表后添加步骤，没有成熟实现方法的功能结构需要特殊设计，本设计中需特殊设计部分是悬架及车架两部分，这两部分的设计取决于其他零件的布局，所以在筛选过程中先确定悬架及车架的类型，具体形式根据产品构架决定。

（3）细化对外观设计有影响的步骤：提出了一种构架排布新思路。即将部件抽象简化，挑选出其中对布局影响较大的部件先进行空间排布，再根据核心部件的相对位置添加其他部件。尝试不同排布方式，并通过草图直观体现，有助于产生创新性、美观的构架方案。

结语

本次实践探索工业设计如何参与玩具遥控车底盘的设计过程，将形态学图表法应用于概念设计阶段，得出了具有创新性、美观的方案。配合结构设计，提供了良好的概念设计方案，降低了设计过程反复的可能性，可以缩短设计周期，提升设计效率。同时针对形态学图表法进行补充和调整，提升了设计效率。

参考文献

[1]刘萌.从四轮童车案看玩具汽车产品的外观设计专利审查标准[J].装饰.2016（08）：70-71.

[2]邹慧君，汪利，王石刚，郭为忠.机械产品概念设计及其方法综述[D].机械设计与研究.1998（02）：6-9+3.

[3]迟瑞丰，胡平，侯文彬.概念设计阶段的车身结构分析[J].汽车工程.2010，32（03）：209-212.

[4]杨琦.基于形态分析理论的汽车防太阳光热辐射产品的设计研究[D].上海：华东理工大学.2012：4-6

[5][英]奈吉尔克洛斯.工程设计方法：产品设计策略[M]吕博，胡帆译.北京：中国社会科学出版社.2015：133-145.

[6]钱皓，高洋，马东明，智伟，基于意象仿生的儿童遥控车造型设计及评价研究].包装工程，2019，40（14）：144-149.

[7]陈旭，兰孟飞，刘庆，李郭锐，曹广富，鲁毅.汽车底盘模块划分及产品结构模型的建立[J].重庆理工大学学报（自然科学）.2015，29（10）：19-23.